(57)【要約】【課題】  従来よりも低い電圧で駆動可能な液晶光学素子を提供する。【解決手段】  本発明の液晶光学素子は、一対の電極間に、液晶材料および高分子材料を含む体積ホログラム層を有する。体積ホログラム層は、所定の方向に対して液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有し、電圧印加状態または電圧無印加状態において、所定の方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成し、高分子材料の屈折率は、液晶材料の常光屈折率よりも大きく、かつ、液晶材料の異常光屈折率よりも小さい。【選択図】  図１
2005055763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極間に、液晶材料および高分子材料を含む体積ホログラム層を有する液晶光学素子であって、
前記体積ホログラム層は、所定の方向に対して前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有し、電圧印加状態または電圧無印加状態において、前記所定の方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成し、
前記高分子材料の屈折率は、前記液晶材料の常光屈折率よりも大きく、かつ、前記液晶材料の異常光屈折率よりも小さい液晶光学素子。
【請求項２】
前記体積ホログラム層は、液晶リッチ層と高分子リッチ層とが交互に積層されて形成されており、
前記液晶リッチ層は液晶ドロップレットを含む、請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記高分子リッチ層の屈折率は、電圧無印加状態の前記液晶リッチ層の屈折率と略等しい、請求項２に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記高分子リッチ層の屈折率は、電圧無印加状態の前記液晶リッチ層の屈折率と異なる、請求項２に記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記高分子材料の屈折率をｎｐ、前記液晶材料の常光屈折率をｎoとし、異常光屈折率をｎeとすると、
ｎｐ＝（２ｎo＋ｎe）／３である、請求項３に記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記高分子材料の屈折率をｎｐ、前記液晶材料の常光屈折率をｎoとし、異常光屈折率をｎeとすると、
ｎo＜ｎｐ＜（２ｎo＋ｎe）／３である、請求項４に記載の液晶光学素子。
【請求項７】
一対の電極間に、液晶材料および高分子材料を含む体積ホログラム層を有する液晶光学素子であって、
前記体積ホログラム層は、所定の方向に対して前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有し、電圧印加状態または電圧無印加状態において、前記所定の方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成し、かつ、液晶リッチ層と高分子リッチ層とが交互に積層されて形成されており、
前記液晶リッチ層に含まれる液晶分子は、電圧無印加時にホモジニアス配向をとり、
前記高分子リッチ層は一軸異方性を有し、その遅相軸は前記液晶リッチ層に含まれる液晶分子の長軸方向と略平行であり、
前記液晶材料の異常光屈折率をｎe、常光屈折率をｎoとし、前記高分子材料の異常光屈折率をｎｐeとし、常光屈折率をｎｐoとすると、ｎo＜ｎｐe＜ｎe、且つ、ｎｐo＝ｎoの関係を満足する、液晶光学素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の液晶光学素子を有する携帯端末機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶材料および高分子材料を含む体積ホログラム層を有する液晶光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯端末機（例えばモバイルコンピュータ）など、小型で持ち運びが可能な情報端末のディスプレイの多くに液晶表示素子が用いられている。この液晶表示素子には、多くの場合、透過型の液晶表示素子が採用されているが、透過型の液晶表示素子はバックライトを必要とする。特に屋外などの明るい環境で良好なコントラスト特性を得るにはバックライトを強力にする必要があるため、消費電力が大きくなり、バッテリーを増大させ、結果として情報端末機器全体の重量の増大をもたらしてしまう。
【０００３】
そこで、上記透過型液晶表示素子よりも反射率を大きくでき、良好なコントラスト特性を実現できる表示素子が求められており、この一つとして体積ホログラム層を用いた表示素子が挙げられる。
【０００４】
例えば特許文献１は、図１０に示すように、液晶層５１と高分子樹脂層５２との積層体で構成される体積ホログラム層５３が、一対の電極付き基板（不図示）間に挟持された液晶光学素子５０を開示している。体積ホログラム層５３は、高分子樹脂層５２と液晶層５１とが交互に積層して形成された多層構造を有している。高分子樹脂層５２は、一軸異方性を有する液晶性高分子材料で形成されている。液晶材料の異常光屈折率をｎe、常光屈折率をｎoとし、液晶性高分子材料の異常光屈折率をｎｐe、常光屈折率をｎｐoとすると、ｎe＝ｎｐe、且つ、ｎo＝ｎｐoの関係を満足している。
【０００５】
この液晶光学素子５０では電圧無印加時に図１０（ａ）に示すように、液晶層５１がホモジニアス配向をとり、高分子樹脂層５２の遅相軸と液晶層に含まれる液晶分子の長軸方向とが略平行になる。従って光学素子に入射した白色光はそのまま透過する。一方、液晶層の屈折率変化が飽和する電圧Ｖsat以上の電圧を印加した状態では、液晶層が印加電圧に応答することによって、液晶分子の長軸方向が基板法線に略平行になる。従って、液晶光学素子に白色光が入射すると、所定の偏光方向の光のうち、液晶層と高分子樹脂層との繰り返しピッチで決まる特定波長の光が回折格子の原理によって選択的に反射する。
【特許文献１】特開２００２−１３９９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の表示装置は偏光選択性を有しているため、十分に明るい表示を実現することが困難であるという問題があった。また、０ＶからＶsat以上の印加電圧の間の液晶層の屈折率変化を利用して、光の回折特性を制御しているため、駆動電圧が大きくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑み、従来よりも低い電圧で駆動可能で、明るい表示を実現できる液晶光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の液晶光学素子は、一対の電極間に、液晶材料および高分子材料を含む体積ホログラム層を有する液晶光学素子であって、前記体積ホログラム層は、所定の方向に対して前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有し、電圧印加状態または電圧無印加状態において、前記所定の方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成し、前記高分子材料の屈折率は、前記液晶材料の常光屈折率よりも大きく、かつ、前記液晶材料の異常光屈折率よりも小さく、これにより上記の課題が解決される。
【０００９】
前記体積ホログラム層は、液晶リッチ層と高分子リッチ層とが交互に積層されて形成されており、前記液晶リッチ層は液晶ドロップレットを含んでもよい。
【００１０】
前記高分子リッチ層の屈折率は、電圧無印加状態の前記液晶リッチ層の屈折率と略等しくてもよい。
【００１１】
前記高分子リッチ層の屈折率は、電圧無印加状態の前記液晶リッチ層の屈折率と異なってもよい。
【００１２】
前記高分子材料の屈折率をｎｐ、前記液晶材料の常光屈折率をｎoとし、異常光屈折率をｎeとすると、ｎｐ＝（２ｎo＋ｎe）／３であってもよい。
【００１３】
前記高分子材料の屈折率をｎｐ、前記液晶材料の常光屈折率をｎoとし、異常光屈折率をｎeとすると、ｎo＜ｎｐ＜（２ｎo＋ｎe）／３であってもよい。
【００１４】
本発明の液晶光学素子は、一対の電極間に、液晶材料および高分子材料を含む体積ホログラム層を有する液晶光学素子であって、前記体積ホログラム層は、所定の方向に対して前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有し、電圧印加状態または電圧無印加状態において、前記所定の方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成し、かつ、液晶リッチ層と高分子リッチ層とが交互に積層されて形成されており、前記液晶リッチ層に含まれる液晶分子は、電圧無印加時にホモジニアス配向をとり、前記高分子リッチ層は一軸異方性を有し、その遅相軸は前記液晶リッチ層に含まれる液晶分子の長軸方向と略平行であり、前記液晶材料の異常光屈折率をｎe、常光屈折率をｎoとし、前記高分子材料の異常光屈折率をｎｐeとし、常光屈折率をｎｐoとすると、ｎo＜ｎｐe＜ｎe、且つ、ｎｐo＝ｎoの関係を満足し、これにより上記の課題が解決される。
【００１５】
本発明の携帯端末機は、上記液晶光学素子を有し、これにより上記の課題が解決される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、従来よりも低い電圧で、光の透過状態と反射状態等との間のスイッチングを行うことのできる液晶光学素子が提供される。
【００１７】
また、本発明により、従来と同様の明るさや、鮮やかな多色表示等を維持したままで、従来よりも低電圧で駆動可能な液晶光学素子が提供される。
【００１８】
本発明の液晶光学素子を用いることにより、明るく、鮮やかな多色表示が可能で、かつ、小さなバッテリーで長時間使用可能な携帯端末機等の電子情報機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１（ａ）は、本発明の実施形態の液晶光学素子の構成を模式的に示す図である。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態の液晶光学素子２は、一対の電極４および６の間に、液晶材料および高分子材料を含む位相型体積ホログラム層１２（以下、体積ホログラム層という）を有している。体積ホログラム層１２は、所定の方向に対して液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有しており、電圧印加状態または電圧無印加状態において、所定の方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成する。下記の動作原理の説明で詳述するが、液晶光学素子２では、電圧のオンオフによって、光の透過状態と、光の反射、回折および散乱状態とを変化させることができる。
【００２１】
なお、図１（ａ）では、電極４および６がそれぞれ、ガラスなどからなる絶縁基板８および１０に設けられており、電源１８により、素子２に対する電圧のオンオフが制御される場合を図示している。
【００２２】
体積ホログラム層１２は具体的には、例えば、体積ホログラム層１２の厚さ方向に液晶材料の含有率が規則的に変化することによって、体積ホログラム層１２の厚さ方向に屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を有する。すなわち、体積ホログラム層１２は、例えば図１（ａ）に示すように、体積ホログラム層１２の厚さ方向に液晶リッチ層１６および高分子リッチ層１４が交互に積層された構造を有する。
【００２３】
ここで、液晶リッチ層１６とは、体積ホログラム層１２における液晶材料の平均組成（体積分率）を超える液晶材料を含む層をいい、高分子リッチ層１４とは、体積ホログラム層１２における液晶材料の平均組成未満の液晶材料を含む層をいう。なお、例えば図１および２では、体積ホログラム層１２において高分子リッチ層１４と液晶リッチ層１６とが明確に分離されている場合を示しているが、実際には、高分子リッチ層１４と液晶リッチ層１６とは明確に分離されておらず、体積ホログラム層１２内で屈折率は除々に変化している。
【００２４】
体積ホログラム層１２は、高分子リッチ層１４と液晶リッチ層１６とが基板に略平行に積層されている場合に限られない。例えば図６（ａ）に示すように、高分子リッチ層１４と液晶リッチ層１６とが基板に略垂直に積層されていても良いし、あるいは、高分子リッチ層１４と液晶リッチ層１６とが基板に対して所定の角度傾斜して積層されていてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、高分子リッチ層１４と液晶リッチ層１６とが基板に対して凸状の曲面を有して積層されていてもよく、この場合、広い角度で光を反射することができるという効果が得られる。
【００２５】
本実施形態の液晶光学素子２では、高分子材料の屈折率が、液晶材料の常光屈折率よりも大きく、かつ、液晶材料の異常光屈折率よりも小さいことを特徴としている。
【００２６】
以下、本実施形態の液晶光学素子２の動作原理を説明する。なお、以下では、高分子リッチ層１４は液晶材料を含まない高分子層であり、液晶リッチ層１６は高分子材料を含まない液晶層である場合について説明する。通常、高分子リッチ層１４および液晶リッチ層１６は非常に小さい膜厚（例えば数１０ｎｍオーダー）を有しているため、高分子リッチ層１４および液晶リッチ層１６をそれぞれ、高分子層および液晶層と仮定できる。また、液晶層の屈折率は、液晶層の法線方向から入射する光に対する屈折率である。液晶材料は一軸性複屈折材料であり、常光屈折率ｎoおよび、異常光屈折率ｎe（ｎe＞ｎo）を有する。
【００２７】
図３は、本実施形態に利用可能な液晶材料（例えばメルク・ジャパン製のＡＳＥＴ００６からなる液晶材料）の印加電圧に対する屈折率変化を測定した結果を示すグラフである。
【００２８】
屈折率変化の測定は、以下のようにして行った。まず、２枚の透明電極付き基板を電極が向かい合わせになるようにして、直径５μｍの球形プラスチックスペーサを挟んでセルを形成し、そのセルに上記液晶材料を注入した。電極付き基板にはあらかじめ配向膜が塗布されており、両基板付近の液晶分子の配向方向が互いに平行になるように配向処理を施した。得られた液晶セルの基板の法線方向から見た液晶層の屈折率を、印加電圧を変化させながら測定した。屈折率の測定にはアッベ屈折計を用いた。
【００２９】
液晶層に対する印加電圧を０Ｖから大きくすると、屈折率は小さくなり、最終的には、電圧値にかかわらず一定値（飽和値）をとるようになる。上記液晶層では図３に示すように、電圧無印加状態のときに異常光屈折率ｎeと等しく、印加電圧が大きくなるにつれて、異常光屈折率ｎeから小さくなり、最終的に常光屈折率ｎoと等しくなる。以下、屈折率が印加電圧にかかわらず、飽和値に達する電圧を飽和電圧Ｖsatという。上記の液晶層では、飽和電圧Ｖsatは、液晶層の屈折率が常光屈折率ｎoと等しくなるときの電圧値である。
【００３０】
液晶光学素子２では、この印加電圧に伴う液晶層の屈折率変化を利用して、光の透過状態と反射状態とのスイッチング、または、光の透過状態と回折状態とのスイッチング、または、光の透過状態と散乱状態とのスイッチングを行う。なお、以下の説明では、代表的な例として透過状態と反射状態との間のスイッチングについて説明する。
【００３１】
本発明による実施形態の液晶光学素子２は、特許文献１のような偏光選択性を有するタイプであってもよいし、液晶層が液晶ドロプレットを含むタイプであっても良い。以下では、液晶層が液晶ドロプレットを含むタイプ（タイプ１およびタイプ２）について説明した後、偏光選択性を有するタイプ（タイプ３）を説明する。液晶層が液晶ドロップレットを含むタイプは偏光選択性を有しないため、偏光選択性を有するタイプに比べて明るい表示を実現できるという利点がある。
【００３２】
本実施形態の液晶光学素子２が有する液晶層１６は、例えば液晶ドロップレットを含む。図４は、液晶層１６が液晶ドロップレット２０を含む場合の液晶光学素子２の体積ホログラム層１２を模式的に示す図である。図４（ａ）は電圧無印加時の体積ホログラム層１２を模式的に示す図であり、図４（ｂ）は所定の電圧印加時の体積ホログラム層１２を模式的に示す図である。
【００３３】
電圧無印加状態では図４（ａ）に示すように、液晶ドロップレット２０内の液晶分子２２は例えばランダムに配向していると考えられ、液晶層１６の屈折率は（２ｎo＋ｎe）／３にほぼ等しい。
【００３４】
一方、電圧を印加すると、電圧値が０Ｖから大きくなるにつれて、液晶層１６の屈折率は上記の電圧無印加時の屈折率から減少する。例えば飽和電圧Ｖsatを印加すると、図４（ｂ）に示すように液晶分子２２は、その長軸方向が基板法線方向に略平行になるように配向し、液晶層１６の屈折率はｎoにほぼ等しくなる。
【００３５】
次に、図４に示すように液晶層１６が液晶ドロップレット２０を含むタイプの液晶光学素子２の動作原理を説明する。以下では、高分子層の屈折率ｎｐを、電圧無印加状態の液晶層の屈折率と異なるように設定した場合（タイプ１）と、ほぼ等しくなるように設定した場合（タイプ２）とに分けて説明する。
【００３６】
（タイプ１：高分子層の屈折率ｎｐが、電圧無印加状態の液晶層ｎＬＣ（Ｖ＝０）の屈折率と異なる場合）
高分子層の屈折率ｎｐが、電圧無印加状態の液晶層の屈折率ｎＬＣ（Ｖ＝０）と異なる場合、図１（ａ）に示すように電圧無印加状態で液晶光学素子２に例えば白色光３０を入射させると、高分子層１４と液晶層１６との繰り返しピッチＰに対応したブラッグの条件を満たす特定波長の光が反射し、および散乱し（反射光３２で示す）、ブラッグの条件を満さない波長の光は透過する（透過光３４）。一方、図１（ｂ）に示すように、所定の電圧ＶＤを印加した場合に、高分子層の屈折率ｎｐが液晶層の屈折率ｎＬＣ（Ｖ＞０）とほぼ等しくなると、液晶光学素子２に入射した白色光３０は透過する（透過光３４）。上記液晶光学素子は、ノーマリホワイト型（ノーマリ反射）である。
【００３７】
以下、より詳細に説明する。
【００３８】
上述したように液晶層１６の屈折率は、電圧無印加状態で（２ｎo＋ｎe）／３にほぼ等しく、飽和電圧Ｖsatを印加した状態ではｎoにほぼ等しい。印加電圧の大きさを０Ｖから飽和電圧Ｖsatまで高くすると、液晶層１６の屈折率ｎＬＣは、（２ｎo＋ｎe）／３にほぼ等しい値からｎoにほぼ等しい値へと低下する。本実施形態の液晶光学素子では、上記液晶層の屈折率ｎＬＣの変化の範囲の一部分を利用して、透過状態と反射状態との間のスイッチングを行う。
【００３９】
ここでは、ｎｐをｎｏと積極的に異なる値に設定する。高分子層１４の屈折率ｎｐをｎo＜ｎｐ＜（２ｎo＋ｎe）／３の範囲に設定し、液晶層１６の屈折率ｎＬＣがｎＬＣ＝ｎｐ＞ｎoのときに液晶光学素子２を透過状態にできる。高分子層１４の屈折率ｎｐは、液晶層１６の常光屈折率ｎoよりも大きいため、透過状態を得るためにｎＬＣ＝ｎｐとするには、飽和電圧未満の電圧を印加すればよい。すなわち、駆動電圧ＶＤは飽和電圧未満である。
【００４０】
液晶層に対する印加電圧の大きさを０Ｖから飽和電圧Ｖsatまで高くすると、液晶層１６の屈折率ｎＬＣは、ｎoにほぼ等しい飽和値に達する。印加電圧が飽和電圧Ｖsatのときの液晶層１６の屈折率ｎＬＣは、厳密にはｎoに完全には一致しないが、ｎoに等しいとみなせるので、高分子層の屈折率ｎｐをｎｐ＝ｎoに設定すれば、液晶層の屈折率ｎＬＣ＝ｎｐ＝ｎoとなるときに液晶光学素子２を透過状態にできる。しかしながら、液晶層の屈折率ｎＬＣをｎＬＣ＝ｎｐ＝ｎoとするには、飽和電圧Ｖsatが必要とされるため、駆動電圧が高いという問題が生じてしまう。
【００４１】
これに対して本実施形態の液晶光学素子２では、上述したように駆動電圧ＶＤを飽和電圧Ｖsat未満にできる。
【００４２】
（タイプ２：液晶光学素子２において、高分子層の屈折率ｎｐが、電圧無印加状態の液晶層の屈折率とほぼ等しい場合）
高分子層の屈折率ｎｐが、電圧無印加状態の液晶層の屈折率とほぼ等しい場合、図２（ａ）に示すように電圧無印加状態で液晶光学素子２に入射した白色光３０は透過する（透過光３４）。一方、図２（ｂ）に示すように、電圧Ｖを印加した状態では、高分子層１４と液晶層１６との屈折率が異なる。従って、図２（ｂ）に示すように電圧印加状態で液晶光学素子２に白色光３０を入射させると、高分子層１４と液晶層１６との繰り返しピッチＰに対応した、ブラッグの条件を満たす特定波長の光が反射し、および散乱し（反射光３２で示す）、ブラッグの条件を満さない波長の光は透過する（透過光３４）。上記液晶光学素子は、ノーマリブラック型（ノーマリ透過）である。
【００４３】
以下、より詳細に説明する。
【００４４】
液晶層１６の屈折率は、電圧無印加状態で（２ｎo＋ｎe）／３にほぼ等しく、飽和電圧Ｖsatを印加した状態ではｎoにほぼ等しい。印加電圧の大きさを０Ｖから飽和電圧Ｖsatまで高くすると、液晶層１６の屈折率ｎＬＣは、（２ｎo＋ｎe）／３にほぼ等しい値からｎoにほぼ等しい値へと低下する。タイプ２の液晶光学素子では、タイプ１と同様に、上記液晶層の屈折率ｎＬＣの変化の範囲の一部分を利用して、透過状態と反射状態との間のスイッチングを行う。
【００４５】
高分子層１４の屈折率ｎｐを、電圧無印加状態の液晶層１６の屈折率とほぼ等しくなるように、ｎｐ＝（２ｎo＋ｎe）／３に設定するので、電圧無印加時に液晶光学素子２を透過状態にできる。
【００４６】
透過状態から反射状態にスイッチングするための駆動電圧ＶＤには、飽和電圧未満の電圧値が、適宜、規定される。駆動電圧ＶＤを飽和電圧とした場合、液晶層の屈折率ｎＬＣを最小にできるので、高分子層と液晶層との屈折率差を最大にできる。従って、コントラスト比を最大にするには、駆動電圧ＶＤを飽和電圧と一致させるのが理想的であるが、駆動電圧ＶＤが高くなるという問題がある。図３に示したように液晶層の屈折率は、印加電圧を０Ｖから大きくするにつれて、最初は急峻に減少するが（図３のＡからＢの範囲）、屈折率が最初の値（最大屈折率）の約７０％程度の値になった後の変化率は非常に小さい（図３のＢからＣの範囲）。従って、駆動電圧を飽和電圧未満に設定した場合であっても、駆動電圧ＶＤを飽和電圧と一致させた場合とほぼ同様のコントラスト比を得ることが可能である。
【００４７】
従って、タイプ２の液晶光学素子２（ノーマリブラック型）によっても、タイプ１の液晶光学素子２（ノーマリホワイト型）と同様に、駆動電圧ＶＤを飽和電圧Ｖsat未満にできる。
【００４８】
本発明の液晶光学素子２は、上記（タイプ１）および（タイプ２）に例示したように、液晶層１６が液晶ドロップレット２０を含む場合に限定されない。体積ホログラム層１２は、例えば電圧無印加時にホモジニアス配向（平行配向）をとる液晶層１６と、一軸異方性を有し、その遅相軸が液晶層１６に含まれる液晶分子の長軸方向と略平行になるように設定された高分子層１４とを有していても良い。このタイプの液晶光学素子をタイプ３として、以下に説明する。なお、タイプ３の液晶光学素子は偏光選択性を有する。
【００４９】
（タイプ３：偏光選択性を有するタイプ）
以下、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）は電圧無印加時の体積ホログラム層１２を模式的に示す図であり、図５（ｂ）は所定の電圧印加時の体積ホログラム層１２を模式的に示す図である。
【００５０】
高分子層１４は、例えば一軸異方性を有する液晶性高分子材料で形成される。液晶性高分子材料の遅相軸は、液晶層１６に含まれる液晶分子２２の長軸方向と略平行である。また、液晶性高分子材料の異常光屈折率をｎｐe、常光屈折率をｎｐoとすると、ｎo＜ｎｐe＜ｎe、且つ、ｎｐo＝ｎoの関係を満足するように設定されている。
【００５１】
このタイプの液晶光学素子２では、電圧無印加時に図５（ａ）に示すように液晶分子２２の長軸方向と液晶性高分子材料の遅相軸とが略平行であり、ｎｐeはｎeに一致しないため、液晶分子２２の長軸方向と平行な方向を偏光方向とする偏光成分は反射する。印加電圧を０Ｖから大きくするにつれて、液晶分子の長軸方向は基板法線に平行な方向に近づくように配向し、ｎeがｎｐeに一致する場合に透過状態が実現する。
【００５２】
ここで、液晶分子２２の長軸方向に直交する方向を偏光方向とする偏光成分は印加電圧の大きさに拘わらず透過する。すなわち、この液晶光学素子は偏光選択性を有する、ノーマリホワイト型である。以下では、液晶分子２２の長軸方向に直交する方向を偏光方向とする偏光成分は印加電圧の大きさに拘わらず透過するので、説明を省略し、液晶分子２２の長軸方向と平行な方向を偏光方向とする偏光成分についてのみ説明する。
【００５３】
印加電圧を０Ｖから大きくするにつれて、液晶分子の長軸方向は基板法線に平行な方向に近づくように配向する。本実施形態の液晶光学素子２では、図５（ｂ）に示すように、液晶層１６に含まれる液晶分子２２の長軸が、基板法線からいくらか傾斜した状態にある場合に、液晶層の屈折率と、液晶性高分子材料の異常光屈折率ｎｐeとがほぼ等しくなるように、液晶性高分子材料の異常光屈折率ｎｐeが設定されており、このときに、透過状態を実現できる。
【００５４】
液晶性高分子材料の異常光屈折率ｎｐeを液晶材料の異常光屈折率ｎeに近付けるほど、駆動電圧ＶＤを小さくできるという効果があるが、電圧無印加時の反射率は低下してしまう。一方、液晶性高分子材料の異常光屈折率ｎｐeを液晶材料の常光屈折率ｎoに近付けるほど、電圧無印加時の反射率を高くすることができるが、駆動電圧ＶＤが大きくなってしまう。液晶性高分子材料の異常光屈折率ｎｐeは、良好な反射率を得るにはｎe−ｎｐe＞０．０５、より好ましくは、ｎe−ｎｐe＞０．１であり、許容される駆動電圧ＶＤの大きさを考慮して適宜設定される。
【００５５】
以上説明したタイプ３の液晶光学素子は偏光選択性を有するため、上述したタイプ１およびタイプ２の液晶ドロップレットを含むタイプの液晶光学素子よりも暗いという欠点があるが、タイプ１およびタイプ２の液晶光学素子と同様に、駆動電圧ＶＤを飽和電圧未満にできる。
【００５６】
従来技術の説明に記載した特許文献１では、液晶性高分子材料の異常光屈折率をｎｐeおよび常光屈折率ｎｐoが、ｎe＝ｎｐe、且つ、ｎo＝ｎｐoの関係を満足していた。特許文献１の液晶光学素子では、電圧無印加時に液晶層の屈折率ｎＬＣがｎＬＣ＝ｎｅ＝ｎｐｅを満足して透過状態を実現し、飽和電圧Ｖsat以上の電圧を印加してｎＬＣ＝ｎoを満足するときに反射状態を実現していた。すなわち、本実施形態とは異なり、図１０（ｂ）に示すように、飽和電圧Ｖsat以上の電圧を印加することによって、液晶層に含まれる液晶分子の長軸が基板法線と平行に配向させた場合に反射状態を実現していた。その結果、０Ｖから飽和電圧Ｖsat以上の印加電圧の間の液晶層の屈折率変化を利用して光の回折特性を制御しているため、駆動電圧が大きいという問題があった。
【００５７】
これに対して本実施形態では、０ＶからＶsat未満の印加電圧の間の液晶層の屈折率変化を利用して光の回折特性を制御しているため、駆動電圧を低下することができる。
【００５８】
以下、実施形態を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００５９】
（実施形態１）
実施形態１の液晶光学素子は、液晶層が液晶ドロップレットを含み、ノーマリホワイト型の液晶光学素子である。
【００６０】
（１）素子構造
図７は実施形態１の液晶光学素子２の構成を模式的に示す断面図である。液晶光学素子２では、例えば膜厚１１０ｎｍのＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極４および６を備えた一対の透光性基板８および１０が、図示しない直径５μｍの球形プラスチックスペーサを挟んでセルを構成している。基板８および１０の間には、体積ホログラム層１２が挟持されている。体積ホログラム層１２は、複屈折性を示さない高分子樹脂材料を含む高分子層１４と、電界によって屈折率が変化する複屈折材料である液晶材料を含む液晶層１６とが交互に積層して構成されており、高分子層１４と液晶層１６とが基板に平行に積層された平面構造を有している。上記透明電極４および６には、交流電源１８が接続されている。
【００６１】
（２）体積ホログラム層の材料組成
重合性組成物として日本化薬製のイソボルニルアクリレート（ＭＰＬ−２１４）および住友精化製の高屈折率モノマー（ＭＰＶ）、重合開始剤としてチバガイギー社製のＩｒｇａｃｕｒｅ３６９を各々重量比で８５：１５：１を用いた。液晶材料としてはＡＳＥＴ００６（メルク・ジャパン製）を用いた。液晶材料と重合性組成物との割合は、重量比で１：１とした。増感色素として、ＤＥＴＸ−Ｓ（ジエチルチオキサントン、日本化薬製）を用い、体積ホログラム層を形成するための材料の総重量に対して２ｗｔ％添加した。
【００６２】
波長５５０ｎｍの光に対する屈折率を測定したところ、液晶層の屈折率は常光屈折率ｎoが１．５３、異常光屈折率ｎeが１．８３、高分子材料（重合性組成物）の屈折率ｎｐは１．５５であった。
【００６３】
（３）製造方法
図８を参照しながら、液晶光学素子２の製造方法を説明する。
【００６４】
上記液晶材料および重合性組成物を含む体積ホログラム形成材料をセル内に封入する。レーザ光源から出射したコヒーレントな２つ以上の光を体積ホログラム層１２に照射し、これらの光を層１２内で干渉させる。
【００６５】
具体的には、例えば、セルの両側からそれぞれ、レーザ光４０および４２を照射した。これにより、重合性組成物が光重合して高分子化する過程において、高分子樹脂の溶媒（体積ホログラム形成材料に含まれる）に対する溶解度の変化によって、液晶材料と高分子樹脂材料とが相分離し、液晶層と高分子層とが交互に積層された構成の体積ホログラム層が形成される。なお、光源として、コヒーレントな光源であるＫｒレーザ（波長４０７ｎｍ）を用いた。
【００６６】
（４）動作原理
実施形態１の液晶光学素子２では、電圧無印加状態で、液晶層の屈折率と高分子樹脂層の屈折率とが互いに異なる。この液晶光学素子２の動作原理は、図１（ａ）および（ｂ）を用いて先述した通り、電圧無印加状態で反射状態になり、電圧ＶＤを印加したときに透過状態になる。
【００６７】
（５）評価結果
以下の方法を用いて液晶光学素子２の電圧−反射率特性を評価した。
【００６８】
大塚電子製ＬＣＤ評価装置（ＬＣＤ−７０００）を用いて、印加電圧を０Ｖから１Ｖまで変化させて、素子２の反射率を測定した。図９に電圧−反射率特性の測定結果を示す。
【００６９】
図９に示すように、電圧−反射率特性のグラフはＶ字のカーブを描き、飽和電圧Ｖsatの約０．４７倍の電圧値で、反射率が最も低くなった。
【００７０】
〔比較例〕
以下に、本発明の比較例を説明する。比較例の液晶光学素子は、素子構造、製造方法および動作原理は、上記実施形態１の液晶光学素子２と同様であるため、説明を省略する。
【００７１】
（１）体積ホログラム層の材料組成
重合性組成物として日本化薬製のイソボルニルアクリレート（ＭＰＬ−２１４）およびジアクリレート（ＫＳＭ−０７４）、重合開始剤としてＩｒｇａｃｕｒｅ３６９（チバガイギー社製）を、各々重量比で７０：３０：１用いた。液晶材料としてはＡＳＥＴ００６（メルク・ジャパン製）を用いた。液晶材料と重合性組成物との割合は、重量比で１：１とした。増感色素としては、ＤＥＴＸ−Ｓ（ジエチルチオキサントン、日本化薬製）を用い、体積ホログラム層を形成するための材料の総重量に対して２ｗｔ％添加した。
波長５５０ｎｍの光に対する屈折率を測定したところ、液晶材料の屈折率は常光屈折率ｎoが１．５３、異常光屈折率ｎeが１．８３、高分子材料（重合性組成物）の屈折率ｎｐは１．４９であった。
【００７２】
（２）評価結果
上記実施形態１と同様に、比較例の電圧−反射率特性の測定を行った。図９に比較例の電圧−反射率特性の測定結果を示す。図９に示すように、比較例の電圧−反射率特性のグラフは、右下がりのなだらかなカーブを描き、最大電圧印加時に液晶層の屈折率が飽和し、反射率が最も低くなる。
【００７３】
図９より、上記実施形態１では、透過状態と、反射状態とのスイッチングを行うための駆動電圧を、比較例（従来例）よりも低くできるとともに、明るい表示を実現できることが示された。
【００７４】
（実施形態２）
実施形態２の液晶光学素子は、液晶層が液晶ドロップレットを含み、ノーマリブラック型の液晶光学素子である。
【００７５】
実施形態２の液晶光学素子２の素子構造および製造方法は、上記実施形態１と同様であるので説明を省略する。
【００７６】
（１）体積ホログラム層の材料組成
重合性組成物としては日本化薬製のイソボルニルアクリレート（ＭＰＬ−２１４）および住友精化製の高屈折率モノマー（ＭＰＶ）、重合開始剤としてＩｒｇａｃｕｒｅ３６９（チバガイギー社製）を各々重量比５０：５０：１で用いた。液晶材料としてはＡＳＥＴ００６（メルク・ジャパン製）を用いた。液晶材料と重合性組成物との割合は、重量比で１：１とした。増感色素としては、ＤＥＴＸ−Ｓ（ジエチルチオキサントン、日本化薬製）を用い、体積ホログラム層を形成するための材料の総重量に対して２ｗｔ％添加した。波長５５０ｎｍの光に対する屈折率を測定したところ、液晶材料の屈折率は常光屈折率ｎoが１．５３、異常光屈折率ｎeが１．８３、重合性組成物の屈折率ｎｐは１．６３であった。
【００７７】
レーザ照射を用いて、上記体積ホログラム形成材料を相分離させて、体積ホログラム層を形成した。液晶層に含まれる液晶分子はほぼランダムに配向し、屈折率は１．６３となるため、重合組成物の屈折率と一致した。
【００７８】
（２）動作原理
液晶光学素子は、電圧無印加の状態では液晶と高分子樹脂の屈折率は等しいため、液晶光学素子に入射した光３１はそのまま透過光３３となる。
【００７９】
実施形態２の液晶光学素子２では、電圧無印加の状態で、液晶層の屈折率と高分子樹脂層の屈折率とが互いに等しい。この液晶光学素子２の動作原理は、図２（ａ）および（ｂ）を用いて先述した通り、電圧無印加状態で透過状態になり、電圧ＶＤを印加したときに反射状態になる。
【００８０】
（３）評価結果
実施形態１の場合と同様の方法を用いて、電圧−反射率特性を測定した。本実施形態２の液晶光学素子は、電圧無印加状態で透明状態で、電圧を印加するとともに徐々に明るい反射色を示し、飽和電圧Ｖsatよりも小さい電圧で良好な反射率を得た。実施形態２によっても、透過状態と、反射状態とをスイッチングするための駆動電圧を従来よりも低くできるとともに、明るい表示を実現できることが示された。
【００８１】
（実施形態３）
実施形態３の液晶光学素子は、電圧無印加時に液晶層の液晶分子がホモジニアス配向をとり、液晶層が液晶性高分子材料で形成されているタイプの素子であり、偏光選択性を有し、ノーマリホワイト型である。
【００８２】
実施形態３の液晶光学素子の素子構造および製造方法は実施形態１および２と同様であるためその説明を省略する。
【００８３】
（１）体積ホログラム層の材料組成
重合性組成物として、一軸性光学異方性を有する液晶性モノマーＵＣＬ００１（大日本インキ化学工業社製）、重合開始剤としてチバガイギー社製のＩｒｇａｃｕｒｅ３６９を各々重量比で１００：１で用いた。液晶材料としてはＡＳＥＴ００６（メルク・ジャパン製）を用いた。液晶材料と重合性組成物との割合は、重量比で８：２とした。増感色素として、ＤＥＴＸ−Ｓ（ジエチルチオキサントン、日本化薬製）を用い、体積ホログラム層を形成するための材料の総重量に対して２ｗｔ％添加した。
【００８４】
波長５５０ｎｍの光に対する屈折率を測定したところ、液晶層の屈折率は常光屈折率ｎｏが１．５３、異常光屈折率ｎｅが１．８３、高分子材料（重合性組成物）の屈折率ｎｐｅは１．６５、ｎｐｏは１．５３であった。
【００８５】
（２）動作原理
実施形態３の液晶光学素子２では、図５を参照して先述したように、電圧無印加の状態で反射状態になり、所定の電圧ＶＤ印加状態では、透過状態になる。
【００８６】
（３）評価結果
実施形態１の場合と同様の方法を用いて、電圧−反射率特性を測定した。実施形態３によっても、透過状態と、反射状態とをスイッチングするための駆動電圧を従来よりも低くできることが示された。
【００８７】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の液晶光学素子は上記の実施形態に限定されない。
【００８８】
例えば、液晶光学素子２の光の入射する基板面とは逆の基板面に光吸収層を設置することで、透過状態と反射状態との間のスイッチングだけでなく、反射状態と吸収状態との間のスイッチング、回折状態と吸収状態との間のスイッチング、および散乱状態と吸収状態との間のスイッチングを行う液晶光学素子を提供することができる。
【００８９】
また、透明電極４、６付き基板８、１０の表面に、例えばポリイミドに代表されるような液晶分子の配向を規制する配向膜が塗布されており、ラビング処理が施されていてもよい。
【００９０】
また、液晶光学素子２は、電圧印加により光の屈折率が変調するように、レンズやプリズムアレイ等の光学的機能を有する素子と組み合わせられてもよい。
【００９１】
液晶光学素子２に用いることのできる液晶材料は上述したものに限られず、シアノビフェニル系化合物、シクロヘキシルカルボン酸エステル系化合物、フェニルシクロヘキサン系化合物、ジオキサン系化合物、安息香酸エステル系化合物、ピリミジン系化合物、アゾメチン化合物、ビフェニル系化合物、アゾキシ系化合物、トラン系化合物等、いずれのものも用いることができる。
【００９２】
また、重合性組成物も上述したものに限られない。光照射によって重合する性質を有する高分子樹脂であることが好ましい。高分子樹脂は、複屈折材料であっても良い。重合開始剤も上述したものに限られない。露光に用いる光源で、ラジカルを生成できる重合開始剤であれば、いかなる種類のものも用いることができる。
【００９３】
なお、特開平６−３０８５４２号公報は、高分子層の屈折率が、液晶層の常光及び異常光に対するいずれの屈折率にも一致しない液晶光学素子を開示している。この光学素子はノーマリホワイト型の液晶表示素子であり、電圧無印加時にできるだけ高い強度の反射光を得ることを目的としている。従って、高分子層の屈折率と、液晶層の異常光屈折率との差をできるだけ大きくする必要があるため、高分子層の屈折率は、液晶層の常光屈折率よりも小さいことが要求される。特開平６−３０８５４２号公報は、単に、高い強度の反射光を得ることを目的としており、液晶表示素子の駆動電圧を低くすることを目的の一つとする本発明とは、構成および目的の上で全く異なるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の液晶光学素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の液晶光学素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の液晶光学素子の動作原理を説明するためのグラフである。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の体積ホログラム層を模式的に示す断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の体積ホログラム層を模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の液晶光学素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態の液晶光学素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態の液晶光学素子の製造方法を説明するための図である。
【図９】実施形態１と比較例との電圧−反射率特性を示すグラフである。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、従来の液晶光学素子の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
２  液晶光学素子
４  透明電極
６  透明電極
８  絶縁基板
１０  絶縁基板
１２  体積ホログラム層
１４  高分子リッチ層
１６  液晶リッチ層
１８  交流電源
３０  白色光
３２  反射光
３４  透過光
【図１】
2005055763.tif 000003
【図２】
2005055763.tif 000004
【図３】
2005055763.tif 000005
【図４】
2005055763.tif 000006
【図５】
2005055763.tif 000007
【図６】
2005055763.tif 000008
【図７】
2005055763.tif 000009
【図８】
2005055763.tif 000010
【図９】
2005055763.tif 000011
【図１０】
2005055763.tif 000012